Une stalagmite de sable

Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser.

Matériel

  • du sable bien sec (plutôt fin et homogène sans graviers ni cailloux)
  • deux feuilles blanches en papier
  • deux soucoupes (ici deux couvercles en plastique)
  • de l’eau dans un récipient
Matériel nécessaire pour l’expérience

Protocole

Plier en deux les feuilles blanches sur leur moitié selon la longueur. Puis les déplier. Poser du sable sec sur la pliure de façon la plus uniforme possible sur les deux feuilles blanches.

Déposer du sable le long de la pliure de la feuille

Mettre du sable sec dans sur les deux couvercles. Puis mettre de l’eau dans un des deux couvercles afin de bien mouiller le sable dans ce dernier.

Placer du sable sec dans un couvercle et du sable mouillé dans l’autre

Placer la feuille pliée en deux au-dessus du couvercle rempli de sable sec puis faire glisser le sable régulièrement et lentement sur le même point. Faire de même sur le couvercle rempli de sable mouillé. Observer.

Observations

Vidéo de l’expérience

Lorsque l’on fait glisser le sable sec sur le couvercle rempli de sable sec, il s’écoule et forme un tas de forme conique.

Lorsque l’on fait glisser du sable sec dans le couvercle rempli de sable mouillé, les grains de sable s’écoulent et une tour de sable mouillé se forme dont la forme évoque celle d’une stalagmite.

Résultats de l’expérience

Que se passe-t-il ?

Logo Physique Ludique

Pour comprendre ces observations, il faut réfléchir aux forces exercées entre deux grains de sable.

Lorsque l’on considère deux grains de sable sec, ces derniers interagissent via des actions de contact de type solide/solide (frottements de glissement, réaction normale,…). Ainsi, lorsque du sable sec s’écoule sur du sable sec, rien d’étonnant à voir se former un tas de sable conique sur le couvercle de sable sec.

Lorsque l’on considère deux grains de sable mouillé, le liquide présent entre eux forme un pont entre les deux grains si ces derniers sont suffisamment proches : on parle alors de pont capillaire. Ce petit pont liquide est responsable d’une force d’interaction attractive entre les grains, parfois nettement supérieure au poids d’un seul grain. La présence de ces forces capillaires explique la très grande cohésion d’une structure en sable mouillé et explique pourquoi il est possible de faire des châteaux de sable sur la plage !

Description d’un pont capillaire

Revenons maintenant à l’écoulement du sable sec sur du sable mouillé. Lorsque des grains de sable sec tombent sur des grains mouillés, les grains secs viennent se coller aux grains mouillés et l’eau se propage dans la structure. La tour peut croître en captant des grains et le liquide progresse dans la tour (pour expliquer la progression du liquide, il faut invoquer non seulement la montée capillaire en présence de forces de viscosité, mais également étudier la probabilité qu’un grain se colle à l’agrégat humide sous l’effet de l’impact…). Lorsque la tour de sable grandit, on parle alors d’accrétion granulaire.

Pour les plus curieux, des explications plus approfondies peuvent être trouvées dans cet article de la revue Reflets de la Physique. Pour comprendre l’origine de la force de cohésion entre deux grains humides, il faut invoquer les forces de tension superficielle et la loi de Laplace, déjà rencontrées sur ce site notamment dans les expériences Le film de savon élastique et Le duel de bulles.

Pour aller plus

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